Надежность дорожных одежд
.pdf
В.А.Веренько
НАДЕЖНОСТЬ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
Рекомендовано Научно-методическим центром учебной книги
исредств обучения Министерства образования Республики Беларусь
вкачестве пособия для студентов специальности «Строительство дорог и транспортных объектов» высшихучебных заведений
М и н с к Белорусская государственная политехническая академия
2002
УДК 625.73-192(075.8) ББК 39.311
В31
Рецензенты:
докт. техн. наук, проф. В.Н.Яромко; кафедра строительного производства Полоцкого государственного университета
Веренько В.А В 31 Надежность дорожных одежд: Пособие / В.А.Веренько. - Мн.:
БГПА, 2002. - 120 с.
ISBN 985-6529-39-5.
В пособии рассмотрены методы оценки и пуга повышения надеж ности дорожных одежд. Приведен теоретический и эксперименталь ный материал, полученный автором врезультате исследований.
Рассмотрены новые материалы и технологии, используемые при строигельсгве дорожных покрытий (асфальтобетоны на модифициро ванных битумах, бетоны на органогидравлических вяжущих и др.).
Пособие предназначено для студиггов специальности «Строи тельство дорог и транспортных объектов», будет полезно также ас пирантам и слушателям курсов повышения квалификации данного профиля.
УДК 625.73-192 (075.8) ББК 39.311
ISBN 985-6529-39-5 |
© Веренько В.А., 2002 |
Введение
Динамика развития автомобильного транспорта такова, что еже годно наблюдается прирост интенсивности движения, увеличение нагрузок на ось и массы транспорпгных средств. Так, если в 80-е годы на дорогах Республики Беларусь доля транспортных средств с на грузкой на ось более Ю т составляла около 5,0 %, то в 90-е она дос тигла 30 %. Нагрузки на ось автопоездов достигают 13... 15 тонн, а количество осей - 5 и более. Произошло существенное увеличение нагрузки на городские улицы и дороги. Грузоподъемность автобусов
итроллейбусов достигла 30...40 тонн, а интервал движения в часы пик в ряде микрорайонов Минска, Гомеля, Витебска составляет ме нее 30 секунд. Такое положение приводит к быстрому разрушению материала покрытий и дорожных одежд в целом. Межремонтные сроки службы дорожных покрытий в городах составляют 2...3 года, за городом - 4... 6 лет, что требует больших капитальных затрат.
Поэтому остро стоит вопрос разработки методов оценки и путей повышения надежности и долговечности дорожных покрытий и одежд в целом. К сожалению, действующие нормативные документы
истанд^ты практически не уделяют данному вопросу внимания
Предлагаемое учебное пособие направлено, прежде всего, на озна комление с проблемой надежности дорожных одежд, способами ее оценки и повышения. Достаточно подробно рассмотрен вопрос на дежности матфиалов дорожных покрытий. Описаны мероприятия по вышения надежности за счет применения новых конструктивных ре шений, материалов и технологий. Большинство представленных по ложений получшы автором в результате длительных исследований.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Строительство дорог и транспортных объектов» и будет полезно также аспирантам и слушателям курсов повышения квалификации данного профиля.
1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ о ПРОЧНОСТИ
иНАДЕЖНОСТИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
1.1.Критерии прочности дорожных одежд
Дорожная одежда (ДО) - многослойная конструкция, предна значенная для перераспределения и снижения давления на грунт от
3
действия транспортной нагрузки, при котором остаточные дефор мации отсутствуют или находятся в пределах допустимых.
По сопротивлению нагрузкам от транспортных средств и по ха рактеру деформирования дорожные одежды делятся на две группы - жесткие и нежесткие.
Жесткая дорожная одежда работает как плита конечных разме ров на упругом основании при свободном, шарнирном или ином спо собе соединения плит. К жестким относят ДО с цементобетонным покрытием, а также с асфальтобетонным покрытием на основании из цементобетона, расчлененного деформационными швами. Покрытия жестких дорожных одежд могут быть монолитными и сборными, ар мированными и неармированными, предварительно напряженными и струнобетонными. Основное отличие жестких дорожных одежд за ключается в наличии деформационных швов, которые устраивают с целью предотвращения образования хаотических трещин.
Нежесткая дорожная одежда работает как слоистая система бесконечных в плане размеров со сплошным покрытием на упругом основании. К нежестким относят ДО с покрытием из материалов на органических вяжущих (асфальтобетоны, дегтебетоны), комплекс ных органических и гидравлических вяжущих (битумные эмульсии и цемент), а также с покрытием из зернистых материалов (щебень, гравий, шлаки).
Отличие между жесткими и нежесткими ДО заключается не толь ко в методах расчета, но и в параметрах допустимых деформаций (прогибов) под колесом расчетного автомобиля. Поскольку соотно шение между прочностью и модулем упругости материалов покры тия нежестких ДО значительно выше, чем жестких, толщина слоя покрытия нежестких ДО существенно ниже. Так, если в среднем толщина асфальтобетонного покрытия составляет 10... 15 см, то це ментобетонного - 20...26 см. Данный факт, а также лучшая ремонтоспособность покрытий нежестких дорожных одежд, привели к их значительно более широкому распостранению (в РБ - более 90%).
Дорожные одежды рассчитывают на прочность с некоторым уровнем надежности.
Под прочностью понимают способность материалов или конст рукций сопротивляться разрушению, а также необратимым измере ниям формы под действием внешних нагрузок.
применительно к дорожной одежде термин «прочность» можно трактовать как отсутствие силовых трещин, проломов, просадок, при водящих к разрушению дорожной одежды, а также появление дефор маций, снижающих скорость и безопасность движения по дороге.
ВРБ для нсжссткой дорожной одежды приняты два критерия прочности на действие транспортной нагрузки;
1)предельная относительная вертикальная деформация
(прогиб), при которой появляется нарушение монолитности и ров ности покрытия;
2) предел прочности на растяжение при изгибе монолитных сдоев (материалы на основе вяжущих), значение которого должно быть не ниже напряжения от действия транспортной нагрузки в расчетный период.
Встранах СНГ применяют дополнительный критерий - пре дельное касательное напряжение в несвязных слоях дорожной оде жды, превышение которого ведет к накоплению остаточных дефор маций в данных слоях и потере ровности покрытия. С учетом со
стояния ровности дорожных покрытий РБ использование данного критерия следует признать целесообразным.
Кроме критериев прочности на действие транспортной нагрузки проверяют устойчивость дорожной одежды на действие погодно - климатических факторов, - в частности, на морозоустойчивость. Критерием морозостойкости является предельно допустимая верти кальная деформация грунта земляного полотна в период избыточ ного >'влажнения (весна, осень). Величина данной деформации за висит от типа покрытия дорожной одежды.
Рассмотрим данные критерии более подробно.
Расчет на упругий прогиб заключается в проверке условия прочности
где Еобщ ~ общий эквивалентный модуль упругости на покрытии
дорожной одежды;
Е„,р - требуемый модуль упругости дорожной одежды;
_ коэффициент прочности, учитывающий заданный уро
вень надежности.
5
Общий эквивалентный модуль упругости вычисляют путем по следовательного расчета двухслойных систем [I]. Требуемый мо дуль зависит от интенсивности движения расчетных автомобилей и степени капитальности покрытия дорожной одежды:
Е ^ р = а ^ Ь \ ^ р , |
(1.2) |
где а и Ь - коэффициенты, учитывающие степень капитальности покрытия;
Np - интенсивность движения расчетных автомобилей на одну
полосу в сутки.
Расчет на сплошность монолитных слоев. Предельно допус тимый прогиб покрытия и общий требуемый модуль упругости по формулам (1.1) и (1.2) являются скорее обобщенными показателями долговременной прочности и работоспособности дорожной одеж ды, Выполнение условия (1.1) еще не гарантирует от появления тре щин в монолитных слоях дорожной одежды при изгибе ее расчет ной нагрузкой, так как при назначении требуемого модуля упруго сти детализация условий работы этих слоев не проведена. Поэтому для обеспечения сплошности монолитных слоев дорожной одежды вводится второй критерий прочности в виде
|
а |
г |
< R |
, |
(1.3) |
|
|
р и ’ |
|
^' |
|
где |
- наибольшее растягивающее напряжение в материалах слоя; |
||||
-предельно допустимое растягивающее напряжение
риала слоя с учетом явлений усталости, неоднородности, старения. По исследованиям М.Б.Корсунского, наибольшие растягиваю
щие напряжения вмонолитном покрытии толщиною |
с модулем |
|||||
упругости |
при возможностисвободного перемещения |
слоя |
||||
по основанию равны (рис. 1.1). |
|
|
|
|
|
|
|
А к . р к Е , |
2 |
h |
~ п |
, |
(1.4) |
|
|
я- |
a r c tg ^ )a r c tg ^ — |
|||
|
|
о |
л |
|
|
|
где р - удельное давление от расчетного автомобиля;
к = 1,15... 1,3 - коэффициент запаса на динамичность воздейст-
д
ВИЯ нагрузки и неоднородность условий работы;
h =1,1А,= |
|
|
Е, |
|
|
|
эквивалентная толщина покрытия; |
||
э |
’ 1 |
\ |
Е |
общ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Еобщ - общий модуль упругости части дорожной одежды, рас положенной ниже покрытия.
0,125 0,25
Рис. 1.1. Зависимость напряжения от относительнойтолщины слоя (цифры накривыхотношение модуля упругости слоя
к модулю уттругостиоснования)
При совместной работе верхнего и нижнего слоев величина мак симальных растягивающих напряжений снижается, что указывает на важность о&спечения хорошего сцепления покрытия с основанием, особенно при толщине покрытия менее 0,25 D (порядка 8... 9 см).
Для облегчения вычисления напряжений растяжения в покрытии применяется номограмма (представленная в нормативных докумен тах, - например ВСН 46-83), дающая значения максимальных удель-
ных растягивающих напряжений сг,. (от нагрузки с давлением на покрытие, равным единице).
Действующие напряжения при удельном давлении от расчетной нагрузки определяются по формуле
< 7 ,.= \,\S p a ,.. |
(1.5) |
При двухслойном покрытии для вычисления |
по формуле (1.4) |
в нижнем слое покрытия толщину h принимают как сумму толщин верхнего и нижнего слоев и средний модуль упругости двухслойно го покрытия;
|
E h + E h |
= |
(16) |
|
*1+*2 |
где - модули упругости верхнего и нижнего слоя покрытия.
В качестве модуля упругости полупространства, подстилающего нижний слой, применяют общий эквивалентный модуль на поверх ности верхнего слоя основания.
При невыполнении условия прочности (1.3) повышают жест кость основания путем увеличения толщины наиболее дешевых слоев, увеличивают толщину самого слоя, прочность которого не обеспечена, либо снижают его жесткость (увеличение количества битума, применение битумополимерных вяжущих). Возможны и специальные конструктивные мероприятия: устройство прослоек из гсотскстиля, армирование материалов, замена материалов конст руктивных слоев на более прочные и жесткие.
Расчет на сдвигоустойчивость состоит в проверке условия
Т<Т^опК,гр, |
(1-7) |
где Т - активное напряжение сдвига в конструктивном слое, вы званное действием транспортной нагрузки и весом слоев дорожной одежды;
Т^оп ~ допустимое напряжение, зависящее от прочностных свойств материала;
8
- коэффициент прочности.
Активное напряжение сдвига определяют по условию
Т = т„+т„ |
(1.8) |
где т - активное напряжение от временной нагрузки;
Н
Tg - то же от собственного веса дорожной одежды.
Активное напряжение сдвига в грунте от временной нагрузки
|
= [(^1 ~ |
^ |
/{2cos(p), |
(1.9) |
где (р - |
угол внутреннего трения грунта; |
|
||
(Tj - максимальное главное напряжение; |
|
|||
С7з |
- минимальное |
главное |
напряжение (полагают, |
что |
<Ti>0-3-0-2).
Главные напряжения CTJ и <Тз надо вычислять на основе теории
упругости для слоистых сред. Поскольку применение в этих целях формул для многослойных сред требует большого объема трудоем ких вычислений, реальную многослойную дорожную конструкцию можно приводить к двухслойной расчетной модели (см. эквива лентный модуль упругости), в которой нижним слоем служит под стилающий грунт, а верхний слой имеет толщину, равную сумме толщин слоев дорожной одежды. Средний модуль упругости всей дорожной одежды (рис. 1.2)
= № , / » , |
(1-10) |
»=1 (=1
где п - число слоев дорожной одежды;
- модуль упругости i -го слоя;
Л, - толщина i -го слоя.